哈大鐵路客運(yùn)專(zhuān)線CRTSⅠ型軌道板翹曲變形研究

傅成志，劉衍文

(中建鐵路建設(shè)有限公司，北京 100053)

CRTSⅠ型軌道板在板場(chǎng)內(nèi)預(yù)制完成后將轉(zhuǎn)移到線路上鋪設(shè)。鋪設(shè)后的軌道板板面與空氣充分接觸，板底密貼CA砂漿。板面和板底與外界的接觸面和陽(yáng)光的照射等存在差異，使板內(nèi)形成溫差，產(chǎn)生應(yīng)力，軌道板發(fā)生各個(gè)方向的變形，引起軌道板發(fā)生翹曲變形。

軌道板翹曲達(dá)到一定程度后將會(huì)形成離縫。離縫的出現(xiàn)使得列車(chē)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的外力首先消除軌道板的翹曲變形，然后才能作用到CA砂漿層。若離縫較長(zhǎng)，一直延伸到承軌臺(tái)下，鋼軌將會(huì)隨著列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生變形，影響軌道的平順性，進(jìn)而影響列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)與舒適性。通過(guò)對(duì)軌道板翹曲、離縫進(jìn)行觀測(cè)試驗(yàn)，對(duì)軌道板翹曲變形、離縫與環(huán)境溫度和溫差的相互關(guān)系進(jìn)行分析，總結(jié)出軌道板翹曲變形及離縫的規(guī)律，提出減少無(wú)砟軌道板裂紋、翹曲、離縫現(xiàn)象的注意事項(xiàng)和建議措施，為無(wú)砟軌道板的預(yù)制、鋪設(shè)提供參考。

1 軌道結(jié)構(gòu)概況

1.1 軌道板結(jié)構(gòu)介紹

客運(yùn)專(zhuān)線CRTSⅠ型無(wú)砟軌道板是C60高性能鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，其標(biāo)準(zhǔn)板外形尺寸為:寬2 400 mm ×高200 mm ×長(zhǎng)(4 962、4 856、3 685)mm。軌道板使用雙列式承軌臺(tái)，承軌臺(tái)高20 mm。以施工中使用最多的一種軌道板P4962軌道板為例示意軌道板的結(jié)構(gòu)尺寸，見(jiàn)圖1。

1.2 軌道結(jié)構(gòu)介紹

哈大客專(zhuān)全線軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件、CRTSⅠ型軌道板、CA砂漿和混凝土底座組成。軌道板下為50 mm厚的CA砂漿，CA砂漿下設(shè)C40混凝土底座，橋上底座厚度為200 mm，路基上底座厚度為300 mm。橋上軌道結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖1 P4962軌道板結(jié)構(gòu)(單位:mm)

圖2 橋上軌道結(jié)構(gòu)(單位:mm)

2 軌道板翹曲、離縫的說(shuō)明

由于條件有限，且鑒于軌道板垂直方向變形的重要性，僅對(duì)軌道板垂直方向的翹曲變形進(jìn)行研究，本文所指的位移均指在垂直方向發(fā)生的翹曲變形的大小。

離縫是指在完成CA砂漿灌注后，軌道板底面與CA砂漿表層的縫隙用1 mm厚度塞尺檢測(cè)插入深度大于5 cm的縫隙。軌道板離縫的主要特征有2點(diǎn):一是軌道板板底與CA砂漿表層結(jié)合不密實(shí)，存在1 mm及以上的縫隙;二是該縫隙長(zhǎng)度大于5 cm。

離縫的產(chǎn)生是由于軌道板垂直方向翹曲達(dá)到一定程度或是CA砂漿灌注不飽滿引起的。

3 軌道板翹曲、離縫試驗(yàn)

3.1 軌道板翹曲、離縫的原因

在剛完成CA砂漿灌注后軌道板底面與CA砂漿之間無(wú)縫隙。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間再檢查，軌道板與CA砂漿填充層之間出現(xiàn)離縫現(xiàn)象。離縫集中分布在板的四角，極少數(shù)會(huì)延伸到板端第1個(gè)承軌臺(tái)下。

對(duì)軌道板離縫原因進(jìn)行初步分析，存在2種可能:CA砂漿體積發(fā)生不均勻變化和軌道板自身變形。

(1)CA砂漿體積變化原因。CA砂漿體積的不均勻變化會(huì)導(dǎo)致CA砂漿層表面部分地方凸起或凹陷，引起軌道板底與CA砂漿層結(jié)合不密實(shí)，出現(xiàn)離縫。為了研究CA砂漿的性能，對(duì)10組CA砂漿試件進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在24 h后CA砂漿膨脹率約等于0，且體積變化均勻。因此可排除是CA砂漿膨脹或者收縮原因引起的離縫。

(2)軌道板自身變形。根據(jù)以往對(duì)混凝土板式結(jié)構(gòu)的研究，可知混凝土板在存在溫差的情況下會(huì)產(chǎn)生變形。鋪設(shè)完成的軌道板板面與板底溫度存在差異，在軌道板內(nèi)出現(xiàn)溫差。板內(nèi)溫差的出現(xiàn)，使軌道板產(chǎn)生翹曲變形甚至離縫。因此本文將溫度及溫差做為軌道板翹曲、離縫試驗(yàn)的重點(diǎn)研究對(duì)象。

3.2 翹曲、離縫試驗(yàn)條件

為了研究外部環(huán)境溫度對(duì)軌道板變形產(chǎn)生的影響，從2010年9月11日凌晨2點(diǎn)到次日凌晨2點(diǎn)對(duì)已灌注的3孔箱梁上的21塊軌道板(其中15塊P4962，6塊P3685)進(jìn)行翹曲、離縫觀測(cè)，天氣為陰天。

本次試驗(yàn)每2 h記錄1次，主要觀測(cè)以下內(nèi)容。(1)軌道板板中及板端翹曲變形。用百分表對(duì)板四角及板中的變形大小進(jìn)行觀測(cè)。(2)板面和板底溫度。對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的板底和板面溫度用紅外線溫度測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量。板面大于板底溫度稱(chēng)為正溫差，板面低于板底溫度稱(chēng)為負(fù)溫差。(3)環(huán)境溫度。環(huán)境溫度見(jiàn)表1。

表1 2010年9月11日環(huán)境溫度 ℃

3.3 翹曲、離縫試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

經(jīng)過(guò)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到當(dāng)天的環(huán)境溫度與離縫的關(guān)系如圖3所示，板面板底溫差與翹曲變形位移相對(duì)關(guān)系如圖4所示。

圖3 溫度與離縫情況

圖4 軌道板溫差與位移情況

3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.4.1 溫度與溫差分析

(1)環(huán)境溫度變化情況。該天環(huán)境溫度在14點(diǎn)的時(shí)候達(dá)到最高，為31℃;在凌晨4點(diǎn)的時(shí)候，溫度最低，為14℃;該天平均氣溫為21.8℃。在5點(diǎn)到14點(diǎn)溫度處于上升趨勢(shì)，在14點(diǎn)到22點(diǎn)，溫度處于下降趨勢(shì)，其余時(shí)間溫度較為穩(wěn)定，波動(dòng)幅度不大。

(2)溫差變化情況。白天和晚上存在不同的溫差，最大正溫差在12點(diǎn)出現(xiàn)，為4℃;最大負(fù)溫差在凌晨4點(diǎn)的時(shí)候出現(xiàn)，為2.5℃。軌道板的正溫差在6點(diǎn)到16點(diǎn)時(shí)出現(xiàn);負(fù)溫差在2點(diǎn)到6點(diǎn)和16點(diǎn)后出現(xiàn)。需要說(shuō)明的是，由于條件所限，所記錄的溫度并不能完全反應(yīng)板底的實(shí)際溫度，因此所計(jì)算出的溫差只能代表板外部溫度與板內(nèi)部溫度的成正相關(guān)的關(guān)系。

(3)溫度與溫差的關(guān)系。板面直接暴露于大氣當(dāng)中，溫度變化較板底敏感;板底密貼CA砂漿，處于陰面，溫度變化較板面較為遲緩。對(duì)溫度的靈敏性不同將會(huì)產(chǎn)生溫差。溫度變化越快，溫差也越大。

3.4.2 翹曲變形觀測(cè)情況

(1)翹曲的范圍和大小。軌道板四角翹曲范圍基本上為板端到第1個(gè)承軌臺(tái)之間，極少數(shù)會(huì)出現(xiàn)在承軌臺(tái)下，其大小為0～1.2 mm。

(2)每塊軌道板翹曲變形的規(guī)律基本相同，呈反復(fù)“下沉—上翹—下沉”趨勢(shì)。

(3)在6點(diǎn)到18點(diǎn)時(shí)間段(可大致概括為白天)，以起始觀測(cè)位置為基準(zhǔn)，軌道板四角向下發(fā)生位移，存在著向下的變形。

(4)在2點(diǎn)到6點(diǎn)、18點(diǎn)到第二天凌晨2點(diǎn)(可大致概括為夜晚)，以起始的位置為基準(zhǔn)，軌道板基本上沒(méi)有位移，或位移較小。

3.4.3 離縫觀測(cè)情況

(1)離縫在早上6點(diǎn)的時(shí)候數(shù)量最多，在13點(diǎn)最少。夜晚溫度較為穩(wěn)定，溫差較小，離縫的數(shù)量相對(duì)比較穩(wěn)定;白天溫度的變化幅度較大，溫差也較大，離縫數(shù)量變化較大。離縫從5點(diǎn)到11點(diǎn)呈減少趨勢(shì)，從11點(diǎn)到19點(diǎn)呈增多趨勢(shì)，其余時(shí)間離縫數(shù)量較為穩(wěn)定。

(2)離縫出現(xiàn)范圍。離縫出現(xiàn)大多在軌道板四角出現(xiàn)，有極少數(shù)情況會(huì)延伸到距離板端20 cm的第1個(gè)承軌臺(tái)處，軌道板中不會(huì)出現(xiàn)軌道板離縫現(xiàn)象。

(3)單塊軌道板離縫出現(xiàn)數(shù)量:軌道板四個(gè)角不是同時(shí)出現(xiàn)離縫，存在可能只有某一個(gè)或幾個(gè)角離縫，其余角不離縫的情況。

4 短鋼軌約束翹曲試驗(yàn)

在實(shí)際施工中，在軌道板上還要鋪設(shè)長(zhǎng)鋼軌。2010年9月11日為鋪設(shè)完成后無(wú)鋼軌約束狀態(tài)下進(jìn)行觀測(cè)，為了模擬較真實(shí)的狀態(tài)，同時(shí)也對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證，于9月12日凌晨對(duì)3孔梁鋪設(shè)100 m鋼軌，并在扣件進(jìn)行鎖定狀態(tài)下對(duì)相同的軌道板進(jìn)行2個(gè)周期的觀測(cè)。鋼軌由若干短鋼軌組成，接頭部分用螺栓進(jìn)行連接。

4.1 試驗(yàn)條件

2010年9月12日陰轉(zhuǎn)小雨，9月13日晴，各天監(jiān)測(cè)時(shí)間和環(huán)境溫度見(jiàn)表2。

表2 2010年9月12日和9月13日環(huán)境溫度

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)以上2 d采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到溫差與位移的關(guān)系如圖5、圖6所示。

圖5 9月12日溫差與位移

圖6 9月13日溫差與位移

4.3 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論

對(duì)本次觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)果。

(1)9月12日溫差較小，為1.2～1.4℃，翹曲變形為0～0.6 mm，基本上沒(méi)有離縫;9月13日溫差較大，為1.6～5.6℃，翹曲變形為0～1.3 mm，離縫較多。進(jìn)一步證明了前文中講述的“溫差越大，翹曲越大，離縫越多”的觀點(diǎn)。

(2)在軌道板1號(hào)點(diǎn)處，屬于鋼軌接頭部位。無(wú)接頭部位的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到此點(diǎn)，變形明顯大于其他點(diǎn)位。

(3)鋼軌的約束作用。9月12日溫差較小，軌道板的翹曲受到鋼軌的約束，離縫明顯減少;9月13日溫差較大，雖然軌道板的翹曲受到鋼軌的約束，但相對(duì)于溫差應(yīng)力，鋼軌約束作用較小，仍能產(chǎn)生較大的翹曲變形，離縫并未減少。

4.4 鋼軌鎖定后翹曲、離縫情況預(yù)測(cè)分析

經(jīng)過(guò)9月12日試驗(yàn)，可對(duì)鋼軌約束情況下的軌道板翹曲進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。鋼軌精調(diào)鎖定完后，鋼軌形成一個(gè)整體，可以認(rèn)為在軌道板上加了一個(gè)極大的荷載，單塊和數(shù)塊軌道板的溫差應(yīng)力變形是不會(huì)引起鋼軌發(fā)生位移的。由于受到長(zhǎng)鋼軌的約束，軌道板四角翹曲變形的幅度會(huì)受到約束。假定長(zhǎng)鋼軌約束力大于溫差應(yīng)力的情況下，將會(huì)因鎖定時(shí)間的不同而出現(xiàn)以下2種情況。

(1)在白天進(jìn)行鋼軌鎖定時(shí)，由于軌道板在白天四角處于下沉狀態(tài)，因此與未鎖定鋼軌、其他條件相同(主要是指溫差)相比較，白天的離縫將會(huì)基本不變。夜晚出現(xiàn)溫差應(yīng)力，四角翹曲，但受到鋼軌約束，翹曲位移減小，出現(xiàn)的離縫也會(huì)減少。

(2)在夜晚進(jìn)行鋼軌鎖定時(shí)軌道板處于上翹狀態(tài)，在白天受到溫差應(yīng)力出現(xiàn)下沉趨勢(shì)時(shí)受到鋼軌約束，位移減小，將不能復(fù)位到相同的狀態(tài)，即會(huì)出現(xiàn)相同條件下比白天更多的離縫。

若溫差較大，長(zhǎng)鋼軌的約束力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軌道板溫差產(chǎn)生的應(yīng)力，翹曲變形雖然受到影響減小，但是離縫情況基本上不會(huì)受到改變，將在相同條件下產(chǎn)生相同數(shù)量的離縫。

5 翹曲、離縫試驗(yàn)總結(jié)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得到的觀測(cè)結(jié)果，可基本得出主要是由于溫度的變化產(chǎn)生溫差，從而引起軌道板翹曲。當(dāng)軌道板翹曲位移大于1 mm，深度大于5 cm時(shí)將會(huì)產(chǎn)生離縫。軌道板的翹曲、離縫存在以下規(guī)律。

(1)在正溫差時(shí)，軌道板四角下沉，大小與軌道板溫差有關(guān)，溫差越大，下沉位移越大。此階段一般出現(xiàn)在白天，因此白天的離縫比晚上少。

(2)在負(fù)溫差時(shí)，軌道板四角翹曲，大小與軌道板溫差有關(guān)，溫差越大，上翹位移越大。此階段一般出現(xiàn)在晚上，軌道板出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象，進(jìn)而引起離縫。

(3)溫度變化越快，溫差越大，變形也越大。隨著環(huán)境溫度、溫差的變化，軌道板翹曲大小也在跟著變化，是否離縫也隨之變化。在環(huán)境溫度升高階段，軌道板四角翹曲位移減小，離縫逐漸減少;在環(huán)境溫度降溫階段，軌道板四角翹曲位移增大，離縫逐漸增多。

(4)板中變形較小。在忽略板的自重情況下，在正溫差情況下板中將向上翹曲。但由于板的自重作用，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫差應(yīng)力引起的翹曲變形，所以板中不會(huì)發(fā)生翹曲;同時(shí)第一個(gè)承軌臺(tái)處的翹曲變形也較小。

(5)軌道板四角翹曲大小存在差異。一般情況下，軌道板四角翹曲差異不大，但是也在某些特定原因下產(chǎn)生不同大小的翹曲。此種情況會(huì)引起相鄰兩塊板的板端承軌臺(tái)高程誤差。

(6)鋼軌鎖定的時(shí)間對(duì)軌道板的翹曲的影響。鋼軌鎖定能夠約束軌道板的翹曲變形，進(jìn)而控制離縫的數(shù)量。在溫差較小的情況下，短鋼軌約束作用對(duì)翹曲、離縫的影響非常顯著;在溫差較大的情況下影響不明顯。

(7)在軌道板向上翹曲具有離縫時(shí)進(jìn)行鋼軌鎖定，若次日溫差較小，即使白天翹曲也不能復(fù)位，從而產(chǎn)生離縫。若次日溫差較大，軌道板四角仍能擺脫鋼軌約束而下沉，消除翹曲。

6 無(wú)砟軌道建議施工措施

經(jīng)過(guò)上文的分析，總結(jié)出了溫差引起的軌道板翹曲變形、離縫的規(guī)律，據(jù)此可以在施工中對(duì)溫差引起的問(wèn)題采取針對(duì)措施，減少和避免由此帶來(lái)的質(zhì)量問(wèn)題，保證列車(chē)運(yùn)行的安全與舒適性。

6.1 軌道板生產(chǎn)裂紋控制

(1)軌道板生產(chǎn)時(shí)務(wù)必嚴(yán)格控制軌道板在蒸養(yǎng)過(guò)程中軌道板的升溫、降溫速度，注意不要使廠房?jī)?nèi)溫度發(fā)生過(guò)大的波動(dòng)，引起較大的溫差。

(2)在廠房外產(chǎn)生的溫差比廠房?jī)?nèi)大得多，因此在廠房?jī)?nèi)必須養(yǎng)護(hù)到一定強(qiáng)度后才能將軌道板運(yùn)到室外場(chǎng)地存放，避免由于溫差帶來(lái)的軌道板裂紋。

6.2 軌道板鋪設(shè)減少離縫措施

(1)灌注后對(duì)灌注口進(jìn)行擠漿。此措施目的在于確保CA砂漿的飽滿度，避免CA砂漿水分流失而萎縮產(chǎn)生的離縫。

(2)保證CA砂漿的流動(dòng)度。此措施是為了保證CA砂漿能夠流動(dòng)到較遠(yuǎn)端，保證砂漿灌注飽滿，灌注完成后注意四角是否飽滿，避免砂漿質(zhì)量原因?qū)е碌碾x縫。

(3)宜在軌道板向上翹曲時(shí)(一般在夜晚)進(jìn)行CA砂漿灌注。軌道板向上翹曲時(shí)，CA砂漿將填滿由于翹曲產(chǎn)生的縫隙，在翹曲變形復(fù)位時(shí)將與CA砂漿緊密結(jié)合，減少離縫。

6.3 鋼軌鎖定精調(diào)后消除離縫影響的措施

(1)盡量利用白天進(jìn)行軌道精調(diào)、鎖定，有助于減少溫差引起的翹曲、離縫。

(2)在鋼軌鎖定精調(diào)后，對(duì)于承軌臺(tái)處的離縫必須消除。

由于相鄰2塊板端承軌臺(tái)本身可能存在的高程誤差，溫差也會(huì)引起軌道板翹曲，在相鄰承軌臺(tái)之間出現(xiàn)更大的高程差，引起板端被鋼軌吊起懸空，出現(xiàn)離縫。對(duì)于此種情況，可在軌道板出現(xiàn)正溫差產(chǎn)生大的向下變形時(shí)，利用塞入軌下調(diào)高墊板消除翹曲、離縫。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鋪設(shè)完成的軌道板在無(wú)鋼軌約束和短鋼軌約束的環(huán)境下進(jìn)行翹曲位移和離縫觀測(cè)試驗(yàn)，總結(jié)了軌道板翹曲變形、離縫的規(guī)律，為控制無(wú)砟軌道板預(yù)制、鋪設(shè)提出了施工注意事項(xiàng)和建議施工措施。在試驗(yàn)過(guò)程和數(shù)據(jù)分析中，由于條件所限并未就板的真實(shí)溫差大小與環(huán)境溫度之間的關(guān)系深入研究，希望在以后的研究中能夠?qū)壍腊迓N曲進(jìn)一步的研究，從而較好掌握“溫差－翹曲變形”規(guī)律。

［1］王其昌.板式軌道設(shè)計(jì)與施工［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2002.

［2］王森榮，孫立，李秋義.無(wú)砟軌道板軌道溫度測(cè)量與溫度應(yīng)力分析［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2009(2):52-55.

［3］李祖?zhèn)?水泥混凝土路面的溫度翹曲與翹曲復(fù)合應(yīng)力［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，21(4):24-26.

［4］王繼軍，尤瑞林.單元板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)軌道板溫度翹曲變形研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2010(3):9-14.